青岛市连续变量量子密钥分发应用示范项目通过验收

2019年新年元旦刚过，从青岛国际经济合作区（中德生态园）传来喜讯。由北京大学-北京邮电大学联合研制的全球首个针对明确的应用场景完整的连续变量的量子密钥分发应用示范项目通过验收。国内研究连续变量量子密钥分发的主要课题组参加了本次验收，来自中国科技大学、上海交通大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、山西大学、北京电子科技学院、电子科技集团30研究所等单位的11位专家组成了评审组。中国科学院院士、我国量子信息领域的著名专家郭光灿院士担任评审组长。

本次建设的量子密钥分发线路接青岛国际经济合作区（中德生态园）、中国移动黄岛分公司和青岛市政务云数据中心三地，总长超过70km，密钥速率超过10kbps，可为青岛市政务信息的高安全性保密通信提供高安全性密钥。线路采用北京大学-北京邮电大学联合团队的最新技术，包括量子密钥分发收发端机、量子密码机以及偏振控制系统。本次开通的连续变量量子密钥分发系统不需要使用昂贵的单光子探测器，所使用的光电器件与光纤通信的器件通用，量子信道可以和现有通信业务共享光纤，不再需要独占光纤，可以大大降低系统建设成本和运维成本，其可靠性和稳定性等同于成熟的光纤通信系统。该项技术将在军事、银行、证券、电力等众多行业有着广泛的应用前景，预计近期国内市场规模可达到百亿量级，远期将超过千亿级。

青岛市电子政务和信息资源管理办公室、青岛市大数据发展促进局、青岛国际经济合作区（中德生态园）和科研团队通力合作，特事特办，先行先试，一起高效地建设了这条全球首个针对明确的应用场景完整的连续变量的量子密钥分发应用示范线路。未来，联合团队、国际经济合作区（中德生态园）、青岛市大数据发展促进局将紧密合作，基于国产化的核心光电器件，开展自主可控量子密钥分发应用的产业化应用，进一步降低系统的建设、运行和维护成本，为青岛市量身定制量子密码终端、量子安全网关、量子交换路由器、量子密钥分发应用管控系统，为政务、公安、金融、电力、互联网等众多行业提供完整的量子密钥分发应用组网解决方案，保证信息安全传送。

作为此示范项目合作方之一，青岛国际经济合作区成立了科技部门，建立创新创业“双创中心”。引进了青岛华大基因研究院、西门子（青岛）创新中心、海尔工业智能研究院、中德智能技术博士研究院等科研创新机构，与德国亚琛工业大学、慕尼黑工业大学、哥本哈根大学、复旦大学、北京邮电大学等国内外著名高校在科研创新、人才培养方面进行合作，初步形成了园区特色的创新体系。在着力培育智能制造、生命健康、新能源新材料、高端装备四大产业基础上，青岛国际经济合作区（中德生态园）积极探索大数据产业和技术创新的发展，从最早的智慧城市建设，到园区数字化治理，建立和发展工业互联网，到推动互联网、大数据、人工智能和实体经济的深度融合以及量子技术的示范应用，实现数字化发展新业态的突破，形成全新的经济产业链条，带来数字经济项目的产业集聚，初步搭建起较为完备数字经济体系，为加快新旧动能转换，实现经济高质量发展打好基础。

背景资料

近年来，信息安全问题日益严峻，量子密钥分发备受瞩目。目前，量子密钥分发的工程化实现主要有单光子和连续变量两个技术方案。2015年之前，连续变量量子密钥分发的安全性未被严格证明。因此，世界各国均采用单光子技术方案建设量子密钥分发工程。虽然取得了重大突破，可保证信息的安全传送，但面临成本高、和现有光网络兼容性差的难题，处在小规模试用的阶段，大规模推广困难。

2015年，连续变量量子密钥分发的安全性得到严格证明，扫清了实际应用的最后一个障碍。在国家863计划课题、国家自然科学基金的支持下，郭弘教授、喻松教授带领北京大学-北京邮电大学联合团队，经过近十年不懈努力，突破了连续变量量子态制备、传输、探测和后处理一系列关键理论问题和核心技术，申请了36项国家发明专利和6项软件著作权，研制了四代连续变量量子密钥分发应用系统，传输距离多次刷新连续变量量子密钥分发的世界纪录。

和近年来国内外报道的单光子量子密钥分发应用线路相比，本次开通的连续变量量子密钥分发不再需要使用昂贵的单光子探测器，所使用的光器件与光纤通信的器件通用，量子密钥分发业务可以和现有通信业务共享同一根光纤，不再需要独占光纤。因而可以大大降低量子密钥分发系统的建设、运行和维护成本，而且其可靠性和稳定性等同于成熟的光纤通信系统，非常适合产业化大规模推广应用。

量子信号非常微弱，对噪声积累非常敏感。连续变量系统采用与光纤通信通用的光电器件，并和光纤通信共享光纤，这给系统的成本降低带来了极大的好处。但由于通用光电器件噪声较大，与光纤通信共享光纤很难隔离噪声，因此微弱的量子信号备受噪声的影响。随着传输距离的延长，噪声将会积累到不可处理的程度，传输距离的提升极端困难。2012年，法国法布里实验室在商用光纤通信系统中实现了17.7公里的传输距离。

为提升传输距离，北京大学-北京邮电大学联合团队对噪声积累的主要因素和处理方法进行了深入分析，发展了一整套行之有效的方法和技术。在量子态制备的过程中，调制器消光比不足和工作点漂移带来很大的串扰和噪声问题，联合团队用声光调制器加电光调制器的方法，实现了高稳定、70dB高消光比。在量子态传输的过程中，传输损伤会破坏量子态的相干性，带来噪声。联合团队研制了高精度相位补偿和高速偏振控制系统，有效降低了噪声，并首次提出线性无噪放大理论，提纯量子态，可提升距离。量子态信号功率微弱，在几个光子的量级，因此需要高灵敏、低噪声的探测器。联合团队研制的平衡零拍探测器放大倍数达到120万倍，带宽5MHz，探测器电噪声被压制在散粒噪声之下25dB，综合性能世界最佳。经过探测之后，微弱的量子信号转变成了电信号。由于收发端的噪声和传输过程引入的噪声，此时信号的功率远小于噪声的功率，需要在噪声以下提取信号。联合团队研制的试试后处理软件可以在噪声比信号功率高15.3dB的情况下，以98%的协调效率进行实时无码纠错，协调效率达到了世界最高。

核心光电器件一直是我国信息行业发展的短板。连续变量保密通信需要用到高精度的光电器件，属于通用器件，虽然目前不受禁运的影响，但是价格不菲，并且可能受制于人。为此，联合团队和国内光电厂商积极合作，用国产光电器件替代进口产品，已经取得重要突破。全国产化核心光电器件的新一代系统正在耐久性测试之中。本次验收的第四代系统中强度调制器、相位调制器和声光调制器就用上了中国电子科技集团的产品。

基于一系列的原理和技术的突破，联合团队的第三代系统2017年在广州移动的商用光纤通信系统中传输距离达到了80公里，远远超过法布里实验室17.7公里的纪录。本次在青岛投入使用的第四代系统，进行了光电器件的集成和封装，进一步实现小型化，提高了稳定性和可靠性。